Брат физиолога Рудольфа Вагнера.
Образование получил в университетах Эрлангена и Мюнхена в 1833—1836 годах.
В 1836—1838 годах совершил путешествие по Алжиру. По возвращении из Алжира занимался преимущественно геологией.
Позже в течение трёх лет (1842—1845) объездил прибрежные страны Чёрного моря, Кавказ, Армению, Курдистан и Персию. Значительные естественно-исторические коллекции, которые он привёз оттуда, находятся в музеях Вены, Мюнхена и Парижа.
В 1852—1855 годах Вагнер вместе с Карлом Шерцером объехал большую часть Америки. Исследователями были совместно изданы «Путешествие в Северную Америку» и «Республика Коста-Рика».
В 1857 и 1858 годах Вагнер изучал горную часть Панамы — провинцию Чирики, а в 1859—1860 годах — восточную область Анд в Эквадоре. Коллекции он отдал в мюнхенские музеи.
После этого Вагнер был назначен почётным профессором географии и этнографии в Мюнхенском университете и в 1862 году избран в члены Баварской Академии наук.
В 1870 году издал большую работу под названием «Путешествие натуралиста в тропическую Америку».
После того Вагнер почти исключительно занимался вопросами, связанными с теорией Дарвина; на её основе разработал «миграционную теорию эволюции». Согласно этой теории, видообразование с помощью естественного отбора становится возможным только с помощью изоляции путём миграции хотя бы небольшой группы изменившихся особей, что устраняет возможность поглощающих скрещиваний.
Покончил жизнь самоубийством.